Основы мехатроники и робототехники
жүктеу/скачать 3,35 Mb. Pdf көрінісі
|
Sholanov 1
| 6.2.2. Подводные роботы
Подводные роботы во многом похожи на космические роботы. Они работают во внеземных условиях, снабжены приборами навигации, связи, позиционирования. Развитие подводной робототехники связано с активным освоением морей и океанов. Подводным роботам придется решать задачи обеспечения человека уже достаточно истощенными на Земле запасами минерального и органического сырья. Подводные роботы могут осуществлять взятие проб грунта, минералов, а также образцов растительного и животного мира как со дна океанов и морей и в шельфовых зонах, так и на больших глубинах. Подводные роботы могут выполнять различные технические работы по прокладке труб, кабелю, по обслуживанию добычи нефти, газа и других необходимых полезных ископаемых, по обеспечению подводных спасательных и ремонтных работ и др. Все подводные аппараты обычно на две группы – обитаемые и необитаемые. Необитаемые в свою очередь подразделяются на буксируемые, самоходные и подводные телеуправляемые ппараты, плавающие в толще воды. Особо следует выделить, как наиболее близкие к роботам группу самоходные аппаратов. К этой группе относится созданный в США в 60-х годах «RUM I-II» (Remote Underwater Manipulator) имеющий гусеничные движители, снабженный манипулятором. В 1974-1976гг. США и ФРГ создали подводный мобильный робот «Tramp», представляющий шестиколесный управляемый по кабелю аппарат снабженный манипулятором. В Великобритании в 1977 г. был создан 4-х колесный подводный робототехнический комплекс (ПРТС) «Seabug», который мог работать на глубине 300 м. и передвигаться со скоростью до 1м/с. Основным оборудованием «Seabug» являются гидролокаторы носового и бокового обзора, гирокомпас, три телекамеры, гидролокатор секторного сканирования, акустические навигационные системы, 95 шестиподвижный манипулятор и другое оборрудование для прокладки кабеля гидравлическим бурением. Выполняющий подобные функции оборудования имеются и на других ПРТС. Более совершенными явились ПРТС «GATOR», «FLEXJET» фирмы «Perry Offshore, Inc.» (Великобритания). Эти роботы также снабжены манипуляторами и другими рабочими органами и имеют более совершенную систему управления. Глубоководный обитаемый Российский подводный аппарат «Мир» (Рис.6.6) предназначен для исследований на глубинах до 6000 метров. Он может находиться под водой до 80 часов. Длина аппарата - 6,8 метра, ширина — 3,6 метра, а высота — 3 метра. Диаметр сферического корпуса «Мира» - 2,1 метра. Вход расположен в верхней части. На борту «Мира» могут работать одновременно три человека. Экипаж поддерживает постоянную связь с судном по гидроакустическому каналу. Когда «Мир» погружается, балластные цистерны заполняются водой, а при подъеме на поверхность включаются насосы и выкачивают воду. Ходовой электродвигатель, который питается от аккумуляторов, позволяет двигаться со скоростью до 9 километров в час. Два боковых двигателя позволяют осуществлять сложные маневры. «Мир» оборудован телевизионной видеокамерой, фотоустановкой и мощными светильниками. Два манипулятора отбирают образцы грунта, животных и растительности. Пробы воды берут батометры. Аппарат снабжен небольшой буровой установкой, что позволяет брать пробы скального грунта. Для наблюдения есть иллюминаторы. В последнее время одним из экономически выгодных областей становится применение дистанционно управляемых подводных аппаратов (Personal & Recreational ROVs) для отдыха и развлечения. Рис.6.6. Глубоководный аппарат «Мир» Наиболее перспективными из подводных аппаратов являются подводные телеуправляемые аппараты и «автономные» ПРТС. Эти ПРТС должны отвечать трем условиям автономности: механической, энергетической и информационной. Механическая автономность предполагает отсутствия всякой механической связи с береговой службой и судном-носителем. Энергетическая автономность предполагает наличие источника питания. Информационная автономность обеспечивается отсутствием информационного 96 обеспечения. Современные ПРТС имеют сложную кибернетическую систему, поэтому их удобно классифицировать по степени совершенства систем управления (рис.6.7) [23]. Автономные подводные роботы (АПР) первого поколения работают по жесткой программе, задаваемой заранее. Более совершенные АПР второго поколения уже имеют разветвленную информационно-измерительную систему. Эти роботы в некоторой степени могут приспосабливать свое внутренне состояние и свое поведение к изменению ситуации. Наиболее совершенными являются АПР третьего поколения, обладающие элементами искусственного интеллекта. Эти роботы могут самостоятельно принимать решения, имеют систему технического зрения, имею возможность самообучения и пополнения собственной базы данных. Как следует из рис. , дистанционно управляемые подводные роботы первого поколения имеют незамкнутую систему управления. В этих простейших роботах команды управления подаются непосредственно в исполнительные механизмы. Второе поколение предполагает наличие в автоматической системе управления обратных связей по координатам состояния объекта управления: высоте над дном, глубине погружения, скорости, угловым координатам и т. п. Эти текущие координаты сравниваются в автопилоте с заданными, определяемыми оператором. Дистанционно управляемые подводные роботы третьего поколения управляются оператором в интерактивном режиме. Система супервизорного управления предполагает уже некую иерархию, состоящую из верхнего уровня, реализуемого в компьютером судна-носителя, и нижнего уровня, реализуемого на борту подводного модуля. На верхнем уровне оператор, анализируя видеоин- формацию о подводной обстановке и навигационно-пилотажные параметры вектора состояния объекта управления, поступающие с борта подводного модуля, принимает решения, реализуемые обобщенными типовыми командами. Типовая команда приводит в действие определенный алгоритм управления движением подводного робота, обеспечивающий выполнение поставленной задачи в реализуемом режиме функционирования. Набор обобщенных типовых команд зависит от конкретного назначения робота и исполнительного механизма их состав может видоизменяться и дополняться в процессе развития системы. Состав алгоритмов выполнения типовых команд может быть, например, следующим: выход в заданную точку дна; динамическое позиционирование над объектом исследований; мягкая посадка у объекта работ; наведение по гидролокатору носового обзора; наведение на магнитную аномалию; автоматическое выведение аппарата на цель, наблюдаемую оператором на экране телемонитора; реализация программных поисковых траекторий; выход в экстремум геофизических и гидрохимических полей океана; автоматическое 97 ПОДВОДНЫЕ РОБОТОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ДИСТАНЦИОННО УПРАВЛЯЕМЫЕ ПОДВОДНЫЕ РОЮОТЫ АВТОНОМНО УПРАВЛЯЕМЫЕ ПОДВОДНЫЕ РОБОТЫ НЕЗАМКНУТЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПРОГРАММНЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПОЛУАВТОМАТИ- ЧЕСКИЕ АДАПТИВНЫЕ ИНТЕРАКТИВНЫЕ ИНТЕЛЛЕКТНЫЕ СУПЕРВИЗОРНЫЕ ДИАЛОГОВЫЕ КОМБИНИРОВАННЫЕ ПОДВОДНЫЕ РОБОТОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ П Е Р В О Е П О К О Л Е Н И Е В Т О Р О Е П О К О Л Е Н И Е Т Р Е Т Ь Е П О К О Л Е Н И Е Рис.6.7. Классификация подводных роботов 98 отслеживание рельефа дна и обход препятствий; сближение и стыковка подводного робота с носителем или донной станцией и др. Иерархически на высшем уровне управления формируются команды, которые воспринимаются бортовым компьютером, последняя выбирает способ реализации движения и формирует задающие воздействия на исполнительные механизмы. При разработке современных подводных роботов часто применяются многоуровневые и многозадачные структуры управления и адаптивные алгоритмы построенные, в частности, на основе нечеткой логики и со скользящим режимом. Отдельно следует остановиться на манипуляционных устройствах подводных аппаратов. В связи с тем, что круг задач решаемых подводными аппаратами достаточно широк, в этих аппаратах применяются соответственно различные по назначению и устройству манипуляционные устройства (МУ). По функциональным особенностям МУ делятся на МУ специального и общего назначения. К первым относятся простейшие МУ, конструкции которых напрямую связаны с выполняемой функцией, размером и массой переносимого обьекта. В обитаемых и необитаемых ПРТС применяются МУ общего назаначения принципиально мало отличающиеся друг от друга. Отличие имеется лишь в способе передачи информации. В АПР управление работой МУ осуществляется посылкой кодированных сигналов, т.е. система управления является телемеханической. Наоборот управление МУ обитаемых ПРТС осуществляется оператором, находящимся в аппарате по проводной связи. При этом контроль за действием МУ производится в обеих случаях за счет средств телемеханики. Обычно МУ общего назначеия представляет многоподвижный управляемый механизм с незамкнутой кинематической цепью. Наибольшее распространение получили МУ имеющие степень подвижности равную семи (ракитин). На рис. показана кинематическая схема одного из МУ являющегося исполнительным механизмом ПРТС. Переносная подвижность осуществляется с помощью звеньев называемых плечо, локоть, кисть. Общая степень подвижности МУ достигает девяти. По системе управления МУ делятся на следующие группы: простейшие механические МУ с непосредственным управлением; манипуляторы с автоматическим правлением; дистанционные манипуляторы. МУ большинства ПРТС имеют электрогидравлические приводы. Это связано с тем, что такие приводы имеют малую стоимость, небольшую массу, приходящуюся на единицу мощности, простую конструкцию, плавность регулирования, простоту разгрузки от внешнего давления. В настоящее время стало очевидным, что применение ПРТС позволит обеспечит выполнение практически всех подводно-технических работ и проведение исследовании в недоступных для человека глубинах океанов и морей. |